điều khiển hệ truyền động động cơ điện một chiều bằng card arduino để ứng dụng cho điều khiển chuyển động máy công nghiệp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐÀO ANH QUÂN ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CARD ARDUINO ĐỂ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG MÁY CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển vàtự động hóa Mãsố: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VõQuang Lạp Thái Nguyên, 2014 -i- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đào Anh Quân Sinh ngày: 16 tháng 10 năm 1987 Học viên lớp cao học khóa K15 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Đại học Hùng Vương Phú Thọ Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa cơng bố cơng trì nh Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõnguồn gốc Tác giả luận văn Đào Anh Quân - ii - LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban, thầy cô giáo đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS VõQuang Lạp tận tình hướng dẫn quátrì nh thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo Trung tâm Thí nghiệm, phịng thínghiệm Khoa Điện tử - Trường Đại Học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Hùng Vương Phú Thọ tạo điều kiện giúp đỡ tơi qtrình làm luận văn Mặc dù cố gắng, song trình độ vàkinh nghiệm cịn hạn chế nên cóthể luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo vàcác bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tế Học viên Đào Anh Quân - iii - MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU ix Lý chọn đề tài ix Mục đích nghiên cứu ix Đối tượng nghiên cứu ix Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỐ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Ưu điểm hệ điều khiển số 1.2 Một số vấn đề quan trọng hệ điều khiển số 1.2.1 Tín hiệu điều khiển số 1.2.2 Mơ tả tốn học hệ thống xung – số 1.2.3 Phép biến đổi z 1.2.4 Hàm truyền đạt hệ thống xung – số 1.2.5 Tính ổn định hệ thống xung số 1.2.6 Khảo sát chất lượng hệ thống xung – số 12 1.3 Giới thiệu hệ truyền động xung – số điều khiển card arduino 12 1.3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động xung – số điều khiển card arduino 12 1.3.2 Giới thiệu thiết bị sơ đồ 13 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (PWM – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU) 26 2.1 Xây dựng hàm số truyền khâu hệ điều khiển số 26 2.1.1 Xây dựng hàm truyền PID số 26 2.1.2 Xây dựng hàm truyền động điện chiều 30 2.1.3 Xây dựng hàm truyền PWM 30 2.1.4 Xây dựng hàm truyền vi điều khiển (hay máy tính) 31 2.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số 31 2.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển số 31 2.3.1 Tởng hợp mạch vịng dịng điện 31 2.3.2 Tởng hợp mạch vịng tốc độ 35 2.4 Xây dựng phương pháp khảo sát ổn định 36 - iv - 2.5 Tính toán khảo sát ổn định cho hệ truyền động PWM-Đ 36 2.5.1 Kháo sát tính toán mạch vòng dòng điện 36 2.5.2 Khảo sát tính tốn mạch vịng tốc độ 37 2.6 Khảo sát chất lượng hệ thống truyền động điện 39 2.6.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 39 2.6.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 42 2.7 Thực nghiệm 44 2.7.1 Xây dựng sơ đồ thínghiệm 44 2.7.2 Phần cứng thiết bị thínghiệm 45 2.7.3 Thiết kế PID cho mơhì nh phịng thínghiệm 48 2.7.4 Các kết thínghiệm 49 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỐ XUNG ÁP ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CHO THANG MÁY 51 3.1 Khái niệm chung thang máy 51 3.1.1 Giới thiệu 51 3.1.2 Lịch sử phát triển thang máy 51 3.1.3 Tình hình sử dụng thang máy Việt Nam 53 3.1.4 Phân loại vàkýhiệu thang máy 53 3.1.5 Cấu tạo thang máy 55 3.1.6 Chức số phận thang máy 56 3.2 Các yêu cầu thang máy 62 3.2.1 Yêu cầu an toàn điều khiển thang máy 62 3.2.2 Dừng xác buồng thang 65 3.2.3 Ảnh hưởng tốc độ, gia tốc độ giật hệ truyền động thang máy 68 3.3 Các chế độ làm việc thang máy 70 3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyến động số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino 70 3.3.2 Điều chỉnh tốc độ 71 3.3.3 Đảo chiều quay 71 3.3.4 Dừng thang máy 71 3.3.5 Chế độ hãm tái sinh 72 3.3.6 Mô hệ truyền động số xung áp – động điện chiều dùng card arduino truyền đông cho thang máy hãm tái sinh 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 -v- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT ACV: Nguồn xoay chiều DCV: Nguồn chiều A/D: Chuyển đổi tương tự số D/A: Chuyển đổi số tương tự DC: Động điện chiều P: Bộ điều chỉnh tỷ lệ I: Bộ điều chỉnh tích phân D: Bộ điều chỉnh vi phân PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tí ch phân CPU: Bộ xử lýtrung tâm µC : Bộ vi điều khiển PWM : Phương pháp điều chê độ rộng xung điện áp βI : Phản hồi âm dòng điện γn : Phản hồi tốc độ Ucđ : Điện áp chủ đạo Uđk : Điện áp điều khiển Urc : Điện áp cưa USS : Điện áp so sánh USX : Điện áp sửa xung Uđb : Điện áp đồng FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo SRC : Khối tạo xung cưa SS : Khối so sánh TXPCX : Khối tạo xung vàphân chia xung Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử) MS1 : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ - vi - MS2 : Tín hiệu phản hồi âm dịng điện T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM) H(S) : Khâu lưu giữ Ud : Điện áp biến đổi PWM Uc : Điện áp điều khiển điều chế độ rộng xung Kω : Hệ số khâu lấy tín hiệu tốc độ Ki , Kp : Hệ số biến đổi điều khiển số dòng điện CLPWM: Chỉnh lưu PWM - vii - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc hệ điều khiển số Hình 1.2 Quá trình cắt mẫu Hình 1.3 Kýhiệu cắt mẫu Hình 1.4 Sơ đồ tương đương Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc Hình 1.6 Hệ thống rời rạc Hình 1.7 Giá trị hàm rời rạc bằng hằng số Hình 1.8 Tính ởn định hệ điều khiển xung – số 11 Hình 1.9 Các nghiệm vi mặt phẳng v 12 Hình 1.10 Sơ đồ khối hệ truyền động xung – số 13 Hình 1.11 Card Arduino Uno 13 Hình 1.12 Mạch điện biến đởi PWM có đảo chiều dạng H kiểu ốt 16 Hình 1.13 Đồ thị dịng áp hệ truyền động đảo chiều dùng biến đổi PWM dạng H kiểu Diốt 17 Hình 1.14 Encoder tuyệt đối 18 Hình 1.15 Encoder tương đối 19 Hình 1.16 số loại encoder thông dụng 20 Hình 1.17 Đặc tí nh truyền đạt A/D 21 Hình 1.18 Sơ đồ khối A/D 21 Hình 1.19 Đồ thị biến đởi điện áp tí n hiệu tương tự đầu vào 23 Hình 1.20 Sơ đồ khối quátrì nh biến đổi từ số tương tự 24 Hình 1.21 Đồ thị biến đởi D/A 25 Hình 2.1 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển I 27 Hình 2.2 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển D 27 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID tương tự 28 Hình 2.4 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển PID 29 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID số 30 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số T-Đ 31 Hình 2.8 Đáp ứng dòng điện với kp= 0.25; ki = 42 ;T = 0,5Tu= 0,002 41 Hình 2.9 Đáp ứng dịng điện với: kp=0.25; ki = 50 ;T = 0,5Tu = 0,0065 41 Hình 2.10 Cấu trúc mạch vịng tốc độ số 43 Hình 2.12: Đáp ứng tốc độ với T= 0.002;kp= 0.25; ki = 50; k = 0.00058 44 Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ truyền động xung áp động điện chiều điều khiển card arduino 45 Hình 2.14 Phần cứng thiết bị thínghiệm 45 Hình 2.15 Sơ đồ khối hình thínghiệm 46 Hình 2.16 Giới thiệu IC L298N 47 Hình 2.17 Giới thiệu IC SN74HC08N 47 Hình 2.18 Card arduino 48 - viii - Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển mô hình matlab - simulink 49 Hình 2.20 Cấu hình đầu điều khiển động 49 Hình 2.21: Cấu hì nh thời gian thực 50 Hình 2.22 Đáp ứng đầu khơng cótải 50 Hình 2.23 Đáp ứng đầu cótải 50 Hình 3.1 Kết cấu khí thang máy 56 Hình 3.2 Cảm biến vị tríkiểu khí 59 Hình 3.3 Cảm biến vị tríkiểu cảm ứng 60 Hình 3.4 Cảm biến quang 60 Hình 3.5 Cảm biến điện dung 61 Hình 3.6 Cảm biến điện cảm 61 Hình 3.7 Phần tử HALL 62 Hình 3.9 Phanh bảo hiểm kiểu kìm 63 Hình 3.10 Nguyên lýlàm việc hạn chế tốc độ 64 Hình 3.11 Dừng chí nh xác buồng thang 66 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a độ giật  theo thời gian 70 Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ T-Đ số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino cho truyền động thang máy 70 Hình 3.14 Đặc tính hãm động động để dừng thang máy 71 Hình 3.15 Đặc tính hãm tái sinh 72 Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ truyền động 72 Hình 3.17 Mạch động lực hệ truyền động 73 Hình 3.18 Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 73 Hình 3.19 Cấu trúc mạch vịng điều khiển CLPWM theo VOC 75 Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VOC 76 Hình 3.21 Cấu trúc mạch vịng dịng điện chỉnh lưu tích cực 76 Hình 3.22 Cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua tác động hai kênh d, q 77 Hình 3.23 Sơ đồ mơ chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC 78 Hình 3.24 Sơ đồ mơ chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC mơ hình hình 3.23 78 Hình 3.25 Chi tiết khối “PLECS circuit” mơ hình 79 Hình 3.26 Điện áp chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC 79 Hình 3.27 Điện áp dòng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC 79 Hình 3.28 Dòng điện chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian 1/6 chu kỳ nguồn 80 Hình 3.29 Điện áp dịng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian chu kỳ nguồn 80 - ix - MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Card arduino board mạch vi xử lý ứng dụng điều khiển cho nhiều hệ truyền động điện có động điện chiều Hệ điều khiển tự động dùng card arduino sẽ tạo hệ truyền động số, kết hợp với máy tính hệ truyền động trở thành hệ truyền động thông minh vừa điều khiển vừa giám sát đối tượng truyền động hệ điều khiển số có khả ứng dụng tốt cho truyền động máy sản xuất cơng nghiệp em chọn đề tài: “Điều khiển hệ truyền động động điện chiều bằng card arduino để ứng dụng cho điều khiển chuyển động máy công nghiệp” Thông qua việc xây dựng tính toán hệ truyền động sẽ tiến hành kiểm nghiệm thiết bị thí nghiệm phòng thí nghiệm Điện – Điện tử Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên nhằm đáp ứng yêu cầu luận văn thạc sĩ nhà trường đề lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Mục đích nghiên cứu - Xây dựng hệ truyền động động điện chiều điều khiển bằng card arduino từ tiến hành tính tốn mơ đánh giá chất lượng hệ thống truyền động - Tiến hành xây dựng mạch điện thí nghiệm hệ truyền động sở thiết bị phòng thí nghiệm Trường đồng thời thí nghiệm thành công với chế độ làm việc khác để từ kiểm nghiệm với kết tính toán lý thuyết - Đề xuất đối tượng máy sản xuất có u cầu cơng nghệ, kỹ thuật mà hệ thống truyền động tính toán khảo sát Ứng dụng để truyền động cho thích hợp để điều khiển chuyển động đối tượng máy sản xuất Đối tượng nghiên cứu - 67 + Fc - Lực cản tĩnh [N] Dấu (+) dấu (-) biểu thức (3-1) phụ thuộc vào chiều tác dụng lực Fc : Khi buồng thang lên (+) buồng thang xuống (-) S'' viết dạng sau: J ω S" = i( M ph D , [m] 盡 (3-2) ) c Trong : J mơmen qn tính hệ quy đởi chuyển động buồng thang, [kgm2] Mph - mômmen ma sát, [N] Mc - mômen cản tĩnh, [N] 0 - tốc độ quay động lúc bắt đầu phanh, [rad/s] D - đường kí nh puli kéo cáp [m] i - tỷ số truyền Quãng đường buồng thang từ công tắc chuyển đổi tầng cho lệnh dừng đến buồng thang dừng sàn tầng là: J ω , S = S + S " = v Δ t + i( M ph D 盡 (3-3) c ) Công tắc chuyển đổi tầng đặt cách sàn tầng khoảng cách cho buồng thang nằm hiệu hai quãng đường trượt phanh đầy tải vàkhông tải - 68 Bảng 3-1 Phạm Tốc độ vi điều di Gia chí nh xác chỉnh chuyển tốc dừng tốc độ [m/s] [m/s2] [mm] Động KĐB rô to lồng sóc 1cấp tốc độ 1:1 0,8 1,5  120  150 Động KĐB rơ to lồng sóc cấp tốc 1:4 0,5 1,5  10  15 1:4 1,5  25  35 Hệ máy phát - động (F - Đ) : 30 2,0 2,0  10  15 Hệ máy phát - động có khuyếch đại 1:100 2   10 Hệ truyền động điện Độ không độ Động KĐB rơ to lồng sóc cấp tốc độ trung gian Sai số lớn (độ dừng khơng xác lớn nhất) là: ΔS = S - S1 (3-4) Trong đó: S1 - quãng đường trượt nhỏ buồng thang phanh S2 - quãng đường trượt lớn buồng thang phanh Bảng 3-1 đưa tham số hệ truyền động với độ khơng xác dừng s 3.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc độ giật đối với hệ truyền động thang máy Một điều kiện hệ truyền động thang máy phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động êm Việc buồng thang chuyển động êm hay không lại phụ thuộc vào gia tốc mở máy vàhãm máy Các tham số chính đặc trưng cho chế độ làviệc thang máy là: tốc độ di chuyển v[m/s], gia tốc a [m/s2] độ giật [m/s3] Tốc độ di chuyển buồng thang định suất thang máy, điều có ý nghĩa quan trọng, nhàcao tầng - 69 Đối với nhà cao tầng, tối ưu dùng thang máy cao tốc (v = 3,5m/s), giảm thời gian độ tốc độ di chuyển trung bì nh buồng thang đặt gần bằng tốc độ định mức Nhưng việc tăng tốc độ lại dẫn đến tăng giáthành thang máy Nếu tăng tốc độ thang máy v = 0,75 m/s lên v = 3,5m/s, giáthành tăng lên 45 lần, tuỳ theo độ cao tầng nhàmà chọn thang máy cótốc độ phùhợp với tốc độ tối ưu Bảng 3-2 Tham số Tốc độ thang máy (m/s) Gia tốc cực đại (m/s2) Gia tốc tính tốn trung bì nh Hệ truyền động Xoay chiều Một chiều 0,5 0,75 1,5 2,5 3,5 1 1,5 1,5 2 0,5 0,8 0,8 1 1,5 (m/s2) Tốc độ di chuyển trung bì nh thang máy tăng bằng cách giảm thời gian mở máy hãm máy, có nghĩa tăng gia tốc Nhưng gia tốc lớn sẽ gây cảm giác khóchịu cho hành khách (như chóng mặt, sợ hãi, nghẹt thở v.v ) Bởi gia tốc tối ưu a < 2m/s2 Gia tốc tối ưu đảm bảo suất cao, không gây cảm giác khó chịu cho hành khách, đưa bảng 3-2 Một đại lượng định di chuyển êm buồng thang làtốc độ tăng gia tốc mở máy vàtốc độ giảm gia tốc hãm máy Nói cách khác, độ giật (đạo hàm bậc gia tốc   da đạo hàm bậc hai tốc dt độ   d v dt ) Khi gia tốc a < m/s2 độ giật khơng quá20 m/s3 Biểu đồ làm việc tối ưu thang máy tốc độ trung bì nh tốc độ cao biểu diễn hình 3.12 Biểu đồ chia giai đoạn theo tí nh chất thay đổi tốc độ buồng thang: mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng vàhãm dừng - 70 Nếu dùng hệ chuyển động xoay chiều với động không đồng hai cấp tốc độ, biểu đồ đạt gần giống biểu đồ tối ưu Đối với thang máy chạy chậm, biểu đồ có giai đoạn : Mở máy chế độ ổn định vàhãm dừng s, v, a, ρ ρ Đến Hãm tầng dừng Hãm xuống tốc độ thấp Chế độ ổn định Mở máy ρ v s a ρ a a ρ t ρ ρ Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a và độ giật  theo thời gian 3.3 Các chế độ làm việc của thang máy 3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyến động số - xung áp động điện chiều điều khiển bởi card arduino Sơ đồ hệ truyền động hình 3.13 CL DIOT R TR MẠCH CẦU H Ð THANG MÁY CARD ARDUINO ENCODER Hình 3.13 Sơ đờ khới hệ T-Đ số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino cho truyền động thang máy - 71 3.3.2 Điều chỉnh tốc độ Để điều chỉnh tốc độ thang máy (cho kỹ sư lắp đặt vàsửa chữa) ta điều chỉnh lượng đầu vào Nếu tăng tốc độ ta tăng điện áp đầu vào hệ truyền động, lúc tí n hiệu điều khiển sau card arduino sẽ tăng dẫn đến tđ tăng (khi tđ  Tck ) Nếu muốn giảm tốc độ ta giảm lượng đặt đầu vào phạm vi  t đ  Tck 3.3.3 Đảo chiều quay Để đảo chiều quay hạ buồng thang máy, ta đặt lượng vào phạm vi Tck  t đ  thay đởi uđk tốc độ hạ thang máy thay đổi 3.3.4 Dừng thang máy Trong hệ thống ta sẽ tiến hành hãm động năng, lúc cắt điện áp nguồn cấp cho động theo quán tính động truyền động thang máy quay, lượng động đưa mạch nhờ ốt biến đổi xung áp lúc ta không chế cho TR làm việc Lúc này, điện trở hãm đưa vào mạch động lực Động tiến hành hãm động thực hãm dừng thang máy cưỡng bức, đặc tính hãm động hình 3.14 n A’ A Hãm động (dừng thang máy) Iđm i Hình 3.14 Đặc tính hãm động động để dừng thang máy - 72 3.3.5 Chế độ hãm tái sinh n n01 A n02 B Iđm A’ i Hình 3.15 Đặc tính hãm tái sinh Chế độ hãm tái sinh xảy ta hạ tốc độ từ tốc độ cao tốc độ thấp Đặc tính hãm tái sinh hình 3.15 (đoạn đặc tính A’n02 đoạn đặc tính hãm tái sinh) Để trình hãm tái sinh xảy sơ đồ ta cần phải thiết kế chỉnh lưu đầu vào có sơ đồ cấu trúc sau: CL PWM PWM ĐC encoder Bộ điều khiển PWM Điều khiển chỉnh lưu Card Arduino Điều khiển ngịch lưu Hình 3.16 Sơ đờ khới hệ truyền động Từ sơ đồ khối trên, Ta vẽ mạch động lực hệ truyền động hình 3.17 - 73 PWM CLPWM L ~ C ~ Ð ~ Hình 3.17 Mạch động lực hệ truyền động Để thực hãm tái sinh, lượng động trả lại cho lưới ta phải xây dựng hệ điều khiển chỉnh lưu PWM Cấu trúc chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC biểu diễn hình 3.18 SCL a,b,c iLa iLb Udc Khâu điều chế độ rộng xung PWM Đo dòng điện ước lượng điện áp lưới iLα iLβ uLα α-β usα uLβ s in  U k-γ cos  U - usβ ΔUdc α-β L PI d-q L usd usq α-β iLd d-q s in  U L cos  U L PI PI ΔiLq iLq * U dc ΔiLd - * i Ld i Lq  * Hình 3.18 Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC - 74 Các khâu chức khối điều khiển chỉnh lưu theo phương pháp VOC gồm: - Khâu đo dòng điện ước lượng điện áp lưới: Thực đo dòng điện xoay chiều đầu vào chỉnh lưu (iLa, iLb), biến đởi dịng điện hệ ba pha sang vector không gian hệ tọa độ cố định α-β(iLα, iLβ) tính thành phần vector điện áp lưới hệ tọa độ α-β(uLα, uLβ) - Khâu biến đổi α-β → k-γ: thực xác định góc γ vector điện áp lưới trục α hệ tọa độ α-β, góc trục d hệ tọa độ quay d-q với trục α hai hệ tọa độ cố định α-β, phục vụ cho việc chuyển tọa độ vector dịng áp - Khâu biến đởi α-β → d-q làm nhiệm vụ biến đởi hệ tọa độ vector dịng điện lưới, đầu nhận thành phần vector dòng điện lưới hệ tọa độ quay d-q(iLd, iLq) - Khâu biến đổi d-q → α-β làm nhiệm vụ biến đổi hệ tọa độ vector điện áp tải qui đổi, đầu nhận thành phần vector điện áp tải hệ tọa độ α-β(usα, usβ) dùng để điều khiển khâu điều chế độ rộng xung PWM Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VOC: Ta chọn trục d trùng với vector điện áp U U U L ta có ULd = UL ULq = Phương trình: Ld  R i Ld  L Lq  R i Lq  L d i Ld dt d i Lq dt   L i L q  U sd   L i L d  U sq Được rút gọn (với giả thiết U Ld  L d i Ld dt R  0) là:   L i L q  U sd   L i L d  U sq Cấu trúc mạch vịng điều khiển CLPWM trình bày hình 3.19 Trong lượng đặt dịng điện điều chỉnh điện áp chiều iq  * , lượng đặt dòng * id lấy từ đầu - 75 uLd Udc ΔUdc ΔUd + * id PI Bộ điều khiển điện áp + PI Bộ điều khiển dòng + - usd + + Udc id -ωL iq -ωL + PI Bộ điều khiển dòng iq  * usq + Hình 3.19 Cấu trúc các mạch vòng điều khiển CLPWM theo VOC Vector dòng điện I L trùng với trục d ta có: I Ld  I L ILq = Dòng điện id iq ước lượng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c → α-β → d-q Góc vector điện áp γL xác định từ công thức: U L U L  i L  i L 2  i L   i L  i L   i L  q   s in  U    cos   U   L ; L U U L U U L L  U L L  U L Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VOC trình bày hình 3.20 - 76 PWM Ua Ub Uc CLPWM L ia L ib L ic ia Ð ib Sa Sb Sc Udc Đo dòng điện đánh giá điện áp lưới * U d c _ re f PWM iLα iLβ α-β iLd ΔUdc uLα uLβ α-β s in  U k-γ s in  U L cos  U L α-β PI d-q usq usd L d-q PI PI ΔiLq iLq ΔiLd * i q _ re f  * i d _ re f Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VOC Cấu trúc mạch vòng dòng điện chỉnh lưu tích cực trình bày hình 3.21 Kp * id + uLd usd - uLd - -id K R  Ls i s * iq -iq ωL ωL ωL ωL Kp usq K i + uLq uLq R  Ls s Hình 3.21 Cấu trúc mạch vịng dịng điện chỉnh lưu tích cực Tính tham số: Cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ tác động hai kênh d, q: - 77 - KP * us i* us  Tts K 1/R i  Ts i s Hình 3.22 Cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua tác động giữa hai kênh d, q Đối tượng mạch vòng dịng điện: G i (s )  Trong đó: T  i (s ) * us L  1/R  T ts  Ts : Hằng số thời gian mạch vòng dòng điện R Tt: Hằng số thời gian biến đổi Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun ta tính tham số điều chỉnh dòng điện sau:  Ti  T  L  Kp   Tt  Hay L  Kp   Tt   Kp L L R    K i  L Ti T t T Tt  Tt  R 3.3.6 Mô hệ truyền động số xung áp – động điện chiều dùng card arduino truyền đông cho thang máy hãm tái sinh 3.3.6.1 Cấu trúc mô hệ truyền động thang máy a Tham số mô + L = 10mH + C = 1000mF Tham số nguồn vào khối chỉnh lưu + U~ = 220/380, f = 50Hz Phần chiều biến tần PWM: + Udc = 650V Tham số điều khiển dòng: + Kp = 10 - 78 + Ki = 1000 Tham số điều khiển tốc độ: + Kp = 2,6 + Ki = 50 3.3.6.2 Cấu trúc mô hệ thống sơ đồ chi tiết Trong hệ thống sử dụng điều khiển chỉnh lưu PWM phương pháp VOC, phần nghịch lưu sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) Sơ đồ mô hệ thống dùng phần mềm PLECS chạy MATLAB Sơ đồ mơ hệ thống trình bày hình vẽ sau: Hình 3.23 Sơ đờ mơ phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC mô hình hình 3.23 - 79 - Hình 3.25 Chi tiết khối “PLECS circuit” mô hình 3.3.6.2 Các kết mô chỉnh lưu PWM Hình 3.26 Điện áp chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC Hình 3.27 Điện áp và dòng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC - 80 - Hình 3.28 Dòng điện chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian 1/6 chu kỳ ng̀n Hình 3.29 Điện áp và dịng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian chu kỳ nguồn - 81 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với đề tài nêu ra, luận văn nghiên cứu giải đươc vấn đề sau: - Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ truyền động số - xung áp thích hợp ứng dụng card arduino Với sơ đồ này, giúp cho việc tính toán khảo sát hệ truyền động số, đồng thời thí nghiệm với thiết bị Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên có hệ truyền động có nhiều ưu điểm so với hệ truyền động khác - Xây dựng phương pháp tính toán khảo sát ổn định chất lượng hệ điều khiển xung – số điều khiển card arduino thích hợp kết mô giúp đánh giá chất lượng sơ hệ thống, đồng thời thí nghiệm thành công Kết lý thuyết thực nghiệm, khẳng định hệ truyền động đảm bảo chất lượng, đồng thời đảm bảo thông số kỹ thuật để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào máy sản xuất nói chung thang máy nói riêng - Với việc ứng dụng hệ truyền động xung số cho thang máy, dựa yêu cầu truyền động cho thang máy Bản luận văn xây dựng thành công chế độ hãm tái sinh chế độ hãm mà thang máy thực tế chưa sử dụng - kết luận văn làm tài liệu tham khảo cho Trường Đại học, cao đẳng kỹ thuật Kiến nghị Kết dừng lại phần lý thuyết thí nghiệm để kiểm nghiệm với chế độ hệ truyền động điều chỉnh tốc độ, thời gian tới cần thí nghiệm để kiểm chứng chế độ hãm hãm động hãm tái sinh Đồng thời tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào thực tế sản xuất ... hệ truyền động điện có động điện chiều Hệ điều khiển tự động dùng card arduino sẽ tạo hệ truyền động số, kết hợp với máy tính hệ truyền động trở thành hệ truyền động thông minh vừa điều khiển. .. tượng truyền động hệ điều khiển số có khả ứng dụng tốt cho truyền động máy sản xuất cơng nghiệp em chọn đề tài: ? ?Điều khiển hệ truyền động động điện chiều bằng card arduino để ứng dụng cho điều. .. dụng để truyền động cho thích hợp để điều khiển chuyển động đối tượng máy sản xuất Đối tượng nghiên cứu -x- - Hệ thống điều khiển số - Hệ thống điều khiển số sử dụng card arduino - Hệ thống